4.4.4. Устройства вывода данных из пк

К основным устройствам вывода относятся монитор и принтер.

А. Монитор (дисплей) — так же как и клавиатура, входит в состав базовой конфигурации ПК. Предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Соответственно монитор может работать в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом режиме экран разбивается на знакоместа, на каждое из которых выводится один из 256 символов таблицы стандарта ASCII. В графи­ческом режиме на экран выводятся изображения по пикселям.

По принципу формирования изображения наиболее распростра­ненными являются мониторы на электронно-лучевой трубке — CRT (Cathode-Ray Tube) — мониторы и жидкокристаллические мониторы на тонкоплёночных транзисторах—TFT-LCD (Thin-Film Transistor Liquid-Crystal Display) мониторы.

Мониторы на основе ЭЛТ

Монитор с электронно-лучевой трубкой подобен телевизору и включает электронно-лучевую трубку, блок питания и блок управления лучом.

Электронно-лучевая трубка представляет собой электронно-вакуумное устройство в виде стеклянной колбы, в горловине которой находится электронная трубка. Изображение на экране монитора формируется из множества расположенных рядами светящих­ся точек пикселей. Точки высвечиваются в результате удара электронного луча о внутреннюю поверхность экрана, на которую нанесен фосфоресцирующий состав — люминофор (в цветных мониторах люминофорные триады с красным, зеленым и синим излучением, из комбинации которых формируется требуемый цвет). Электронный луч, управляемый системой отклонения, обегает экран строку за строкой слева направо, сверху вниз, причем делает это десятки раз в секунду, благодаря чему изображе­ние устойчиво для человеческого глаза.

Мониторы на основе ЭЛТ (ЭЛТ-мониторы) громоздки, имеют большой вес, потребляют значительное количество энергии, и их работа сопровождается воздействием на пользователя электромагнитных полей различного типа. Им на смену успешно идут жидкокристаллические мониторы, распространение которых ранее сдерживалось их высокой стоимостью.

Жидкокристаллические мониторы.

Жидкокристаллические мониторы (ЖК-мониторы, LCD-мониторы) созданы на основе технологии формирования изображения с помощью жидких кристаллов. Жидкие кристаллы представляют собой молекулы, которые могут перетекать как жидкость. Эти молекулы пропускают свет, но под действием электрического заряда изменяют ориентацию.

Изображение на ЖК-мониторах формируется с помощью матрицы пикселей, как и в обычных мониторах; отличие же состоит в материале пикселей и в способе генерации излучения. Каждый элемент матрицы - так называемый жидкий кристалл, являющийся оптически активным материалом. Он способен в естественном состоянии поворачивать плоскость поляризации проходящего через него излучения. Второе чрезвычайно важное его свойство - это способность изменять угол поворота плоскости поляризации в зависимости от приложенного внешнего электрического поля. Такие характеристики ЖК-ячейки позволяют манипулировать интенсивностью прошедшего света. На практике это делается следующим образом (рис.4.19).

Рис.4.19. Принцип функционирования ЖК-монитора:

1 – луч света; 2 – горизонтально поляризованный луч; 3 – поляризатор (вертикальный); 4 – поляризатор (горизонтальный); 5 – жидкие кристаллы; 6 – прозрачные электроды

ЖК-монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели (подложки), сделанные из очень чистого стеклянного материала. Между подложками располагается тонкий слой жидких кристаллов. С обеих сторон от ЖК-ячейки на пути распространения излучения устанавливаются скрещенные поляризаторы (3 и 4 на рис.4.15) Первый из них выделяет определенную компоненту поляризации падающего излучения (на рисунке – вертикальную составляющую). Далее это излучение попадает на жидкий кристалл, который поворачивает плоскость поляризации на определенный угол. Второй поляризатор (4) служит для управления интенсивностью излучения: если его выделенное направление совпадает с направлением плоскости поляризации излучения, то для света он окажется абсолютно прозрачным, а если между ними будет угол 90°, то свет поглотится.

На рис. 4.19 А. показано прохождения луча через ЖК-ячейку при отсутствии управляющего напряжения. В этом случае ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения луча ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем

В присутствии управляющего электрического поля поворот вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором (на рис. 4.16 Б для примера упрощенно показано, как вертикально поляризованный луч не пропускается горизонтальным поляризационным фильтром). Экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью)

Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения.

Надо отметить, что при помощи подобной схемы можно сконструировать лишь черно-белый монитор. Для создания цветного дисплея необходимо наличие ячеек трех цветов - красного, синего и зеленого. На самом деле все ячейки одинаковые, а цвета генерируются за счет пропускания излучения сквозь светофильтры нужных цветов. Но проблема состоит в том, что отфильтрованное излучение очень сильно теряет в своей интенсивности, а это сказывается на общей яркости, уменьшает глубину контраста и, естественно, качество цветопередачи. В последнее время стал применяться альтернативный подход, основанный на интересном свойстве жидких кристаллов, а именно: для разных длин волн углы поворота плоскости поляризации излучения при одном и том же внешнем поле отличаются. Реализация этого способа более технологична и сложна, но зато она позволяет достичь большей яркости, лучшей контрастности и в целом улучшить цветопередачу

ЖК-мониторы обладают существенными преимуществами по сравнению ЭЛТ-мониторами:

• ЖК- мониторы более экономичные;

• у них нет электромагнитного излучения в сравнении c ЭЛТ-мониторами, и они практически безвредны для человека;

• они не мерцают, как ЭЛТ-мониторы;

• они легкие и не такие объемные;

• у них большая видимая область экрана.

Выводом изображения на экран монитора управляет специальное устройство — видеоадаптер (видеокарта). Вместе с монитором видеокарта образует видеоподсистему ПК. В первых компьютерах видеокарты не было. В оперативной памяти существовал экранный участок памяти, куда процессор заносил данные об изображении. Контроллер экрана считывал данные о яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти и управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора. Увеличение возможностей монитора потребовало появления в составе аппаратных средств ПК – видеоадаптера.

Видеоадаптер представляет собой плату расширения, которую вставляют в определенный слот материнской платы (в современных ПК это слот AGP, ранее использовался слот PCI). Видеоадаптер полностью управляет выводом изображения на экран монитора. Для этого он оснащен видеопамятью и собственным процессором. Монитор как периферийное устройство подключается к системной шине ПК через один из разъемов видеоадаптера.

Сформированное изображение до вывода на экран хранится в видеопамяти видеоадаптера. Требуемый объем видеопамяти зависит от заданной разрешающей способности и палитры цветов. Поэтому для работы в режимах с высокой разрешающей способностью и полноцветной гаммой нужно как можно больше видеопамяти.

В последнее время широкое распространение стали получать видеоадаптеры интегрированные с системной (материнской) платой. В этом случае функция видеопамяти возлагается на оперативную память.

К основным характеристикам монитора относятся: разрешающая способность, палитра цветов, размер монитора, частота кадровой развертки.

Разрешающая способность определяется количеством пикселей по горизонтали и вертикали, например, 640x480, 800x600, 1024x768 и т.д. Соотношение количества пикселей по горизонтали и вертикали отражает соотношение геометрических размеров экрана монитора 4 : 3.

Палитра цветов — это множество цветов, которые способна отображать видеосистема, определяется количеством бит двоичного слова, которое используется для кодировки одного оттенка цвета. В монохромных мониторах 1 бит и соответственно два цвета — черный и белый. В цветных мониторах от 4 до 32 бит:

4 бита — 2⁴ = 16 цветов;

8 бит — 2⁸ = 256 цветов;

16 бит — 2¹⁶ = 65536 цветов;

24 бита — 2²⁴ = 16.7 млн. цветов;

32 бита — 2³² = 4.3 трил. цветов.

Требуемый минимальный объем видеопамяти определяется произведением количества пикселей по горизонтали на количество пикселей по вертикали (разрешающая способность), и на количество байт двоичного слова, которым кодируется палитра цветов

Размер монитора. Экран монитора измеряется по диагонали в дюймах. Стандартные размеры 15, 17, 19, 21 и 24 дюйма. Наиболее распространены мониторы с диагональю 17 и 19 дюймов. Для работы с графикой предпочтительны мониторы размером 19-24 дюйма.

Частота кадровой развертки показывает частоту полного обновления изображения на экране. Частота регенерации измеряется в герцах (Гц). Чем больше частота, тем менее заметно мерцание экрана и соответственно меньше усталость глаз. Минимально допустимой считается частота в 75 Гц, нормальной — 85 Гц, комфортной — 100 Гц и больше.

Б. Средства визуальной коммуникации следующего поколения

К средствам визуальной коммуникации следующего поколения можно отнести электронные чернила (электронную бумагу).

Дисплеи на электронных чернилах (electronic-ink displays), предложены американской фирмой E Ink. В таких устройствах активный слой экрана содержит миниатюрные прозрачные капсулы с черными и белыми частичками (пигментом). Черные и белые частицы по-разному реагируют на появление электрического потенциала: позитивно заряженные белые частицы притягиваются к отрицательно заряженным электродам, а негативно заряженные черные — к контактам, имеющим положительный заряд. Под действием электрического поля пигмент устанавливается в желаемое положение и окрашивает капсулу в белый, черный или промежуточный серый цвет (рис.4.20).

Рис. 4.20. К принципу функционирования электронных чернил

Используемые в электронных чернилах микрокапсулы с пигментом очень малы — их диаметр примерно равен диаметру человеческого волоса. В нейтральном состоянии позитивно заряженные белые и негативно заряженные черные частицы пигмента находятся внутри микрокапсул в произвольном положении. Но, например, когда некоторому тыльному участку активной области экрана с электронно-чернильным слоем придается положительный электрический заряд, во всех микрокапсулах на этом участке белые частицы пигмента перемещаются во фронтальную часть. В то же самое время электрическое поле тянет черные частицы на «заднюю» сторону микрокапсул, и они будут скрыты от взора пользователя. В результате действия такого процесса пользователь сможет наблюдать появление на экране электронно-чернильного дисплея белого пятна — точки, пикселя белого цвета. Поменяв полярность приложенного электрического потенциала, можно добиться того, чтобы черные частицы пигмента оказались на лицевой стороне капсул, а белые — на тыльной. Тогда на том же месте на экране дисплея сформируется черное пятно. Увеличенное изображение, полученное с помощью электронных чернил показано на рис. 4.218.

Рис. 4.21. Принцип формирования изображения

Понятно, что, сформировав управляющую электродами матрицу (например, подобную используемой в ЖК-дисплеях) и расположив над ней активную область экрана с микрокапсулами, можно будет создавать на электронно-чернильном экране довольно большие и сложные изображения.

Важная особенность электронных чернил в том, что можно достичь очень высокого разрешения за счет изменения цвета каждой отдельной частицы пигмента. Поскольку диаметр частицы измеряется микронами, разрешение экрана фактически определяется разрешением электронной матрицы, управляющей состоянием капсул. Таким образом, при изготовлении не нужно учитывать форму или размеры капсул, а также однородность цвета каждой из них, что значительно удешевляет производство. Кроме того, оптическое состояние чернил после приложенного импульса очень стабильно. Сформированное изображение остается разборчивым в течение нескольких месяцев!

Среди достоинств технологии E Ink - удобство чтения (отсутствие мерцания и изменения формы букв, независимость от условий освещения и угла зрения) и сверхнизкое потребление энергии. Дисплеи на электронных чернилах обладают в шесть раз большей отражательной способностью и вдвое контрастнее, чем жидкокристаллические

Низкое потребление энергии обусловлено двумя факторами. Во-первых, такие дисплеи не нуждаются в подсветке и работают преимущественно в отраженном свете, а во-вторых, капсулы не требуют постоянного приложения электрического поля (заняв определенное положение, частицы не меняют его до очередного внешнего воздействия).

Благодаря отсутствию необходимости постоянно подпитывать экраны на электронных чернилах, потребляемая ими мощность фактически зависит лишь от частоты изменения картинки.

К немаловажным достоинствам этих дисплеев является их гибкость (рис.4.22).

Приятно взять с собой большой экран, свернув его в трубочку. Кроме того, отмечается, что электронно-чернильные дисплеи от E-Ink – ударопрочные и очень долговечные.

К недостаткам следует отнести достаточно высокую инерционность электронно-чернильных экранов и сложность получения высококачественного цветного изображения.

Рис.4.22. Гибкость электронной бумаги

Пока эти экраны широко используются в электронных книгах (ридерах) и простейших планшетниках, поступающих в школы в качестве электронных учебников. Разработчики обещают оперативно улучшить характеристики устройств, использующих эту перспективную технологию.

В. Принтеры

Принтер — устройство вывода текста и графики на печать. Принтер представляет собой сложный электромеханический аппарат, обеспечивающий формирование изображения, продвижение носителя (бумага или пленка), подачу красителя и его закрепление на носителе. В зависимости от назначения в состав принтера входит электронная схема управления, буферное запоминающее устройство, сетевой интерфейс и другие устройства, расширяющие возможности принтера.

По способу нанесения красителя на бумагу различают следующие виды принтеров:

• матричные;

• струйные;

• лазерные,

• твердочернильные,

• специальные (сублимационные и термопринтеры).

В матричном принтере изображение выводится на бумагу с помощью специальной движущейся головки, в которой несколько (9,24 или 48) иголок, наносящих удары по листу бумаги через красящую ленту. Матричные принтеры с небольшим количеством иголок имеют разрешение на уровне 140-200 dpi (точек на дюйм), более качественные — 24-игольчатые — до 360 dpi. Иголки, расположенные в печатающем узле, управляются электромагнитом.

Рис.4.23. Упрощённая схема фрагмента печатающего узла матричного принтера:

КЛ – красящая лента; ЭМ – электромагнит.

При воздействии электромагнита иголка ударяет по красящей ленте и оставляет след (точку) на бумаге. Печатающий узел передвигается по горизонтали и управляется шаговым двигателем. Во время продвижения печатающего узла по строке на бумаге появляются отпечатки символов, состоящие из точек. В памяти принтера хранятся коды отдельных символов. Эти коды определяют, какие иголки следует активизировать для печати определенного символа.

Матричные принтеры, несмотря на все свои недостатки (низкая скорость печати, высокий уровень шума, низкое качество печати графики и текста и др.), находят применение в различных организациях (в банках, пунктах обмена валюты, паспортно-визовых службах и др.) для печати финансовых и отчетных документов из-за высокой надежности печати от фальсификации. В матричных принтерах краска «вбивается» иголками в бумагу, и поэтому подделать такой документ сложнее.

Другим преимуществом матричных принтеров является возможность печати на многослойных бланках (распечатка одновременно до 6 копий на листах проложенных через копировальную бумагу).

Струйный принтер относится к устройствам безударной печати Физический принцип технологии, которая обеспечивает струйную печать, подобен принципу действия реактивного двигателя и базируется на выстреливании капли жидкости из специального сопла. Печатающая головка, содержащая чернила, имеет группу мельчайших микросопел, число которых в среднем от 16 до 400, а в некоторых моделях цветных струйных принтеров и более 400. Каждое микросопло в диаметре тоньше человеческого волоса.

Струйные принтеры используют два метода распыления чернил: метод газовых пу­зырьков (фирмы Canon, Lexmark, Hewlett Packard) и пьезоэлектрический метод (фирма Epson).

Пузырьковая технология связана с высокой температурой, что приводит к частому выходу из строя печатающей головки. Сам принтер долговечен, а печатающую головку, которая быстро изнашивается, приходится менять одновременно с чернильным картриджем.

Пьезоэлектрическая технология дешева, отличается надежностью, менее инерционна, чем нагрев и обеспечивает более высокую скорость печати.

Н а приведенной упрощенной схеме (рис. 4.24) показан принцип реализации пузырьково-струйной печати.

Рис.4.24. Схема реализации пузырьково-струйной печати (ТР – терморезистор).

Каждое сопло снабжено электронагревательным элементом (терморезистором), который при пропускании чернил через сопло обеспечивает нагревание чернил до температуры образования пузырька (за 3-7 мкс температура достигает 500° С, что приводит к закипанию чернил). Когда пузырек расширяется, капля чернил выталкивается из сопла со скоростью от 5 до 8 метров в секунду (давление в пузырьке достигает 10 атмосфер). Когда нагревательный элемент отключается, пузырёк схлопывается, что приводит к образованию вакуума, который и обеспечивает всасывание следующей капли чернил в сопло перед его повторным нагревом. Нагревательные элементы включаются и отключаются с частотой несколько килогерц.

Пьезоэлектрический метод печати реализуется следующим образом. Каждое сопло снабжено пьезоэлементом (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Схема реализации пьезоэлектрического метода струйной печати (ПЭ – пьезоэлемент).

При подаче управляющего импульса пьезоэлемент деформируется и воздействует на специальную диафрагму. Диафрагма прогибается и выталкивает капельку чернил из сопла. После отключения управляющего сигнала диафрагма принимает первоначальное положение и происходит подсос очередной капли чернил.

Цветная печать выполняется путем смешивания разных цветов (голубого, желтого и пурпурного – система CMYK) в определенных пропорциях, поэтому принтеры оснащаются картриджами с разными цветами чернил. Печатающий узел проходит по одному месту листа несколько раз, нанося нужное количество чернил разного цвета. После смешивания чернил на листе появляется участок нужного цвета. Струйные принтеры обладают высоким качеством печати черного текста и цветной графики до 3600 х 1200 dpi, благодаря чему позволяют печатать полноцветные фотографии, а скорость печати соизмерима со скоростью печати средних лазерных принтеров. Основной недостаток струйных принтеров заключается в значительной стоимости печати из-за высокой стоимости расходных материалов (чернила – картриджи).

Л азерные принтеры являются одними из самых перспективных принтеров, обеспечивающих высокое качество (черно-белой) печати при низкой стоимости. Принцип работы чёрно-белого лазерного принтера поясняется упрощённой схемой, приведенной на рис. 4.26.

Рис.4.26. Упрощенная схема функционирования лазерного принтера.

Основными элементами лазерного принтера являются источник света (лазер), светочувствительный барабан с полупроводниковым покрытием (фотобарабан – 11), красящий порошок (тонер – 4), картридж – 5, блок термического закрепления тонера – 8 и чистящий валик – 10.

В лазерных принтерах реализуется метод электрофотографической печати, который можно условно разделить на 5 этапов:

• первый этап, – создание невидимого электростатического изображения на поверхности фотобарабана;

• второй этап, – проявление изображения с помощью тонера;

• третий этап – перенос изображения на бумагу;

• четвертый этап – закрепление изображения на бумаге;

• пятый этап – подготовка барабана к следующему циклу печати.

Один из простейших вариантов печати реализуется так. Луч лазера направляется на вращающееся зеркальце 2 (см. рис. 4.23). Угол его поворота определяет точки на барабане, которые заряжаются статическим электричеством. Из этих точек формируется (прорисовывается) невидимое электростатическое изображение – 3.

Барабан вращается напротив картриджа 5, заполненного тонером 4. Фактически картридж заполнен носителем (маленькие пластиковые шарики) промежутки между которыми заполнены красящим порошком. Из-за трения на поверхности носителя появляются заряды статического электричества, что обеспечивает хорошее прилипание красящего порошка к поверхности шариков.

При контакте барабана с картриджем частицы тонера прилипают к заряженным участкам барабана, – изображение становится видимым (6).

Затем барабан передвигается над листом бумаги, который заряжен еще сильнее барабана. При этом частички тонера переносятся с барабана на бумагу (7). Остаётся закрепить изображение на бумаге. Для фиксации тонера страница пропускается через нагреватель 8 (два валика), который обеспечивает нагрев до 180 градусов. Частицы красящего порошка спекаются от нагрева и превращаются в водоупорный отпечаток 9.

После окончания печати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших лишних частиц с помощью валика (10) и подготавливается к печати следующей страницы.

Цветное лазерное изображение с помощью лазерного принтера получается по стандартной схеме CMYK, используемой также в струйных принтерах. Это фактически четыре черно-белых аппарата с одним общим фотобарабаном. При этом цветное изображение формируется за несколько проходов (как минмум – 4 прохода).

Необходимо отметить, что в качестве источника света в лазерных принтерах довольно часто используется светодиодная матрица

Преимущества лазерной печати по сравнению со струйной заключаются в более высоком качестве печати текста, стойкости отпечатков к воздействию влаги и света, низкой стоимости печати, а также более высокой скорости печати.

Твердочернильные принтеры

Твердочернильные принтеры в последнее время активно внедряются фирмой Xerox. Принцип работы такого принтера поясняется рис. 4.27.

Рис.4.27. Принцип работы твердочернильного принтера.

Печатающим элементом принтера является пьезоструйная головка. Она движется вдоль вала переноса, который, в свою очередь, вращается. По мере вращения вала и движения головки, вся поверхность вала последовательно покрывается зеркальным изображением будущего отпечатка. Когда изображение сформировано на валу, в принтер подаётся бумага и изображение с вала переносится на бумагу, где и остаётся, создавая отпечаток.

Самым интересным в этой технологии является краситель. Он представляет собой цветные воскообразные бруски. Они уложены в 4 направляющих по цветам CMYK и подпружинены. При начале работы нагреватели, расположенные в конце каждой из направляющих, расплавляют бруски и жидкий расплав попадает в ёмкости, размещённые на печатающей головке. Эти ёмкости постоянно подогреваются и краситель содержится в них в жидком виде. Далее процесс печати практически не отличается от струйного: по каналам краситель подаётся к соплам, откуда выстреливается за счёт пьезоэффекта. Вал переноса, на котором создаётся изображение, тоже подогревается с тем, чтобы нанесенный на него краситель находился в жидком виде и именно в таком виде попадал бы на бумагу. Длина окружности вала переноса соответствует максимально допустимой для принтера длине листа: понятно, что перенос изображения на бумагу осуществляется за один оборот вала переноса. Изображение переходит на бумагу за счёт вдавливания красителя в её поверхность, что достигается посредством прижимного ролика. На бумаге краситель мгновенно застывает, создавая окончательный отпечаток.

Будучи построенными на основе струйной печати, принтеры позволяют производить очень высококачественные изображения. Принтеры, работающие на этой технологии, позволяют получать очень сочные цвета и весьма плотные заливки (плашки). Изображение получается глянцевым, нарядным. В связи с тем, что при печати носитель не подвергается воздействию высокой температуры, есть возможность печатать на довольно плотных и толстых носителях, в том числе - на пластике.

Другое важное преимущество твердочернильной технологии, уже позволившее ей по быстродействию обогнать лазерную цветную печать, – однопроходность. Вначале красители четырех цветов (синий, красный, желтый и черный) наносятся специальной многосопловой головкой на быстро вращающийся разогретый и покрытый тонкой пленкой силиконовой смазки барабан, а затем готовое изображение в один проход переносится на бумагу, на поверхности которой происходит быстрое высыхание красителя. Как известно, в цветных лазерных принтерах применяется метод многопроходной печати: на каждом проходе идет печать лишь одного цвета.

Описанная технология пока ещё не свободна от недостатков. Первый - неустойчивость отпечатков к физическому воздействию. Боится отпечаток, также, сильного нагрева - в ламинаторе изображение "плывёт". Отсутствие альтернативной заправки препятствовало снижению стоимости печати. Однако есть сведения, что все эти недостатки успешно преодолеваются.

Плоттер (графопостроитель) — устройство для вывода чертежей на бумагу. Их используют в проектных институтах, конструкторских бюро и т.п. Устройство плоттеров аналогично устройству струйных принтеров, только они значительно больше по размерам. По конструкции плоттеры делятся на планшетные и рулонные. В планшетных плоттерах материал, на который идет вывод фиксируется, а печатающий узел перемещается в двух направлениях — по осям X и Y.

В рулонных плоттерах бумага перемещается в вертикальном направлении, а печатающий узел — в горизонтальном направлении. Более высокое качество вывода графической информации обеспечивают планшетные плоттеры.